直线运动下移动火源燃烧实验和数值模拟

楼波，丁利，龙新峰，邱平，徐毅

(1. 华南理工大学 电力学院，广东省绿色能源技术重点实验室，广东 广州，510640；2. 华南理工大学 化学与化工学院，广东 广州，510640)

直线运动下移动火源燃烧实验和数值模拟

楼波1，丁利1，龙新峰2，邱平2，徐毅1

(1. 华南理工大学 电力学院，广东省绿色能源技术重点实验室，广东 广州，510640；2. 华南理工大学 化学与化工学院，广东 广州，510640)

为了研究直线运动下移动火源的燃烧特性，对风洞中做直线运动的蜡烛火焰在不同工况下的燃烧进行了实验，并运用Fluent软件进行数值模拟对比分析。研究结果表明：当移动火源与空气的相对速度为0.44 m/s时，风作用和车作用2种不同情况下火焰都向同一个方向偏转，但火焰形态差异较大，前者火焰短而宽，后者火焰细而长，且后者燃烧温度更高。绝对静止燃烧和相对静止燃烧时，前者火焰呈左右对称图形，后者火焰向火源运动的反方向偏转，后者燃烧温度更高。因此，移动火源与静止火源燃烧有区别，不能利用相对运动的概念来分析移动火源燃烧。

移动火源；动网格；相对速度；火焰燃烧；数值模拟

移动火源是指着火时火源点处于运动状态，例如高速行驶的列车着火。20世纪80年代以来，国际上对湍流燃烧模拟的研究主要集中于静止火源燃烧[1−4]，而对移动火源的研究较少。目前，一些学者已开展了涉及到移动火源的一些工作，如 Lewis等[5]通过旋转一个封闭长管，在管中产生一个离心力场，并测量管中预混气体的火焰传播速度，得出了火焰传播速度与离心力之间的关系；吴晋湘等[6−10]研究了体积力场对预混火焰面形状的影响，分析了离心力和科氏力对火焰结构、燃烧过程及燃烧不稳定性的影响，并重点研究了离心力或复合向心加速度对火焰传播、熄灭等燃烧物性影响；郗艳红等[11]研究了在隧道内行驶的地铁列车火灾的安全速度，得到了着火列车在隧道内行驶的最佳速度，但这些研究都没有单独提出移动火源的概念。目前，人们通常认为可以利用相对运动，通过外加风速于静止火源的办法来研究移动火源。LI等[12]研究火源运动时发现：火源运动的火焰锋面形态与同一外界风速引起的火焰锋面形态变化并不一样。由此认为，火源运动速度v和加速度a等均会对流动、传热和燃烧产生影响，已有的经验常识尚不足以认识移动火源深层问题。为研究此问题，本文作者对直线运动下的移动火源燃烧进行实验和拍照，同时运用Fluent软件建立非预混燃烧模型并配合使用动网格技术对移动火源进行数值模拟。通过实验与数值模拟对比，分析不同情况下移动火源的燃烧火焰形态变化，研究移动火源与静止火源燃烧的区别，阐述不能利用相对运动的概念来分析移动火源燃烧。

1 实验

如图1所示，用玻璃搭建一个风洞作为火源直线运动的空间，风洞长4.8 m，宽和高均为0.3 m，两端开口，其余方向均封闭。开口的一侧用风机鼓风，在风洞中形成一种均匀的直流风速。

图1 模型原理图Fig.1 Schematic diagram of model

选择石蜡作为燃烧火源，将燃烧中的石蜡固定在小车上，小车在风洞中作直线运动，形成实验条件下的移动火源。移动火源的实验段距离l=3.6 m，小车向右行驶，记录小车运动时间为t；火源的平均移动速度v1=l/t；风洞中风的方向可以向右或向左，速度设为v2，则火源和风产生一种相对速度，且相对速度为v0=v1−v2。向右运动为正，向左运动为负。实验中移动火源的4种不同工况如表1所示，通过对不同运动工况下的移动火源实验结果进行拍照，得到移动火焰形态。

表1 移动火源不同工况Table 1 Different working conditions of mobile fire

2 建立模型

2.1 数学模型

运用Fluent软件对不同运动工况下的移动火源进行数值模拟，在实验条件下风洞中的风速小于2 m/s，为层流状态，因此，使用层流模型。对于石蜡燃烧，采用二维湍流模型，用标准k−ε双方程求解湍流流动[13]，使用SIMPLEC算法来求解雷诺平均N−S方程，其控制方程如下：

湍动能k方程：

湍动能耗散率ε方程：

式中： 为流体密度； 为流体黏性系数；μt为湍流涡黏系数，μt=cuρk2/ε，经验常数 cu=0.09，c1=1.44，c2=1.92，σk=1.0，cε=1.3。Gk, Gb分别为由于速度梯度和浮力引起的湍动能产生项。火源燃烧模型采用非预混燃烧模型(Non-Premixed Combustion)，燃料为石蜡，蜡烛灯芯直径为3 mm，氧化剂为空气N2和O2含量(体积分数)分别为79%和21%，常温下空气温度为300 K。

2.2 动网格

动网格模型可以用来模拟流场形状因边界运动而随时间改变的问题，湍流模型结合动网格技术对二维空间内的移动火源燃烧进行模拟，类似模型在非稳态空化流中有所应用[14−15]。本模型采用有限元方法对网格进行划分，把移动火源设置为动网格，网格划分见图2，火源周围较密集，远离火源的区域网格较稀疏。

图2 网格图Fig.2 Picture of mesh

3 实验结果和数值模拟对比

3.1 风、车运动下火焰分析

工况Ⅰ和工况Ⅱ的实验图像及模拟结果分别如图3和图4所示，从图3和4可看出：实验结果和模拟结果吻合较好，证明建立的模型是合理的。但从工况Ⅰ和工况Ⅱ火焰外形来看，虽然两者的相对速度同为0.44 m/s，火焰燃烧都向左偏转，然而形态差异较大。

工况Ⅰ和工况Ⅱ火焰附近速度场分布模拟如图 5所示。工况Ⅰ火焰只受到风的作用，风速为−0.44 m/s，火源速度为0 m/s，风对火源的作用是大面积的来流，移动火源受到一种大范围内的自右向左的气流干扰，使火焰产生向左偏移的趋势，由图3火焰形态可知：火焰向左偏转，火焰底部较宽，从底部变化到火焰尖峰宽度梯度变化大，整个火焰显得短而宽，燃烧最高温度为1 120 K。而工况Ⅱ下移动火源的运动引起火源周围气流产生扰动，只影响火焰附近小范围内流场变化，此情况下火源以0.44 m/s 的速度向右运动，风速为0 m/s，移动火源向右做直线运动，由于空气阻力和火焰自身惯性作用，使燃烧的火焰有一种向左偏的趋势。由图4可知：工况Ⅱ下，从火焰底部变化到火焰尖峰宽度梯度变化较工况Ⅰ小，整个火焰呈现一种细而长的形态，燃烧最高温度为1 170 K。由此可知，工况Ⅰ受大范围来风气流影响与工况Ⅱ火源自身运动引起周围局部气流变化相比更容易散热，工况Ⅱ燃烧温度更高。因此对于移动火源，不能利用通过外加风速产生相对运动的办法来分析。

图3 工况Ⅰ火焰形态Fig.3 Flame form of condition Ⅰ

图4 工况Ⅱ火焰形态Fig.4 Flame form of condition Ⅱ

3.2 绝对静止和相对静止火焰燃烧分析

图5 工况Ⅰ和工况Ⅱ下速度场Fig.5 Velocity fields of conditions Ⅰ and Ⅱ

图6 工况Ⅲ火焰形态Fig.6 Flame form of condition Ⅲ

图7 工况Ⅳ火焰形态Fig.7 Flame form of condition Ⅳ

图8 工况Ⅲ和工况Ⅳ下速度场Fig.8 Velocity fields of conditions Ⅲ and Ⅳ

为了更好验证风、车运动下对移动火源影响的不同，对处于绝对静止和相对静止火源的2种工况进行实验及模拟对比。实验及模拟结果分别如图6和图7所示。可见：二者火焰形态差异很大。2种工况下火焰附近速度场分布如图8所示。由图8可见：2种工况的差异也很明显。在绝对静止情况下，火焰速度和风速均为0 m/s，这是典型的完全扩散燃烧，可以看到蜡烛灯芯上方燃料释放的流速在整个速度场中相对较大。火焰温度高，空气温度低，火焰与周围空气产生温度差，引起火源附近气体扰动，但流速不大，接近于0 m/s，因此整个燃烧过程基本不受外界影响，燃烧平静，火焰呈左右对称的光滑曲面，最高温度为 881 K。 而相对静止情况下速度场图8(b)，此情况火焰速度和风速均为1.7 m/s，方向同为右，这时火源四周速度场处于同右向分布状态，气体流速约为1.7 m/s。由此可见，虽然工况Ⅳ处于相对静止状态，与工况Ⅲ绝对静止状态相比，火源附近气流具有一定速度，相同时间内使更多新鲜空气参与燃烧反应，燃烧更为剧烈，此时燃烧最高温度为1 050 K，而且火焰形态向左偏转。因火焰的阻挡，使火焰右侧的气流速度低于 1.7 m/s，同时静压升高，整个火焰外形向左倾斜。说明此情况下火源自身的运动对火焰形态也有影响。实验与数值模拟都说明绝对静止燃烧和相对静止燃烧2种燃烧有区别，不能完全利用相对运动的概念来研究移动火焰燃烧。

4 结论

(1) 在风、车运动下，火焰为 2种不同的外形，影响因素的不同使二者燃烧形态和速度场有很大不同，其中风作用下火源周围受大范围内来风气流影响，而车作用下只引起火焰周围局部气流变化。两者的散热条件也不一样，前者比后者散热快，后者燃烧温度更高。

(2) 相对静止火焰燃烧与绝对静止火焰燃烧有明显不同，由于前者火焰四周气流湍动更大，更多的空气与燃料接触反应，比后者燃烧程度更剧烈，温度更高。相对静止时移动火焰本身的运动也有影响，引起火焰形态向火源运动的反方向偏转。

(3) 移动火源与静止火源燃烧有本质区别，不能利用相对运动的概念来分析移动火源燃烧。其深层次的机理还有待进一步研究。

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(编辑 赵俊)

Mobile fire combustion experiment and numerical simulation during linear motion

LOU Bo1, DING Li1, LONG Xinfeng2, QIU Ping2, XU Yi1

(1. Guangdong Key Laboratory of Clean Energy Technology, School of Electric Power,South China University of Technology, Guangzhou 510640, China;2. School of Chemistry and Chemical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

In order to study combustion characteristics of mobile fire during linear motion, candle flame during linear motion experiment in a wind tunnel was made to research the combustion mechanism and the Fluent software was also used as a numerical simulation contrast. The results show that flame will deflect to the same direction in the two different conditions of wind movement and car movement when mobile fire and air relative speed is 0.44 m/s, but their flame shapes are different, the former flame is short and wide, while the latter flame is thin and long, and the latter combustion temperature is higher. Compared with the relative rest combustion, absolute rest combustion flame is symmetrical graph,the latter flame form moves to the contrary direction of the movement of fire, and the latter flame combustion temperature is higher. So mobile and static fires are different, and relative motion concept can not be used to research the mobile fire combustion.

moving fire; dynamic mesh; relative velocity; flame combustion; numerical simulation

TK413.2，V231.2

A

1672−7207(2013)03−1240−06

2011−12−25；

2012−03−05

广东省绿色能源技术重点实验室资助项(2008A060301002)；广州市应用基础研究项目(12C72081667)

楼波(1965−)，男，浙江义乌人，博士，副教授，主要从事燃烧理论与应用研究；电话：020-22236823；E-mail: loubo@scut.edu.cn